基于CTMU 的精確激光測距方案設計

李興國

（天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，天津300387）

引 言

目前，激光脈沖測距法具有探測距離遠、對光源相干性要求低等優(yōu)點，被廣泛應用于各個領域。它利用激光脈沖持續(xù)時間極短、能量相對集中、瞬時功率大的特點，在平均光功率相同的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離測量。但是，如果要求滿足一定激光脈沖測距的精度，例如精確到ps級，這就對電子技術提出了更高要求。市場提供的高精度激光傳感器雖然可以實現(xiàn)，但是造價太高，不能廣泛應用。隨著集成電路技術的發(fā)展，Microchip公司推出了可以識別脈沖之間精確時間的技術。根據(jù)Microchip公司的集成新技術CTMU（Charge Time Measurement Unit），我們采用一片帶CTMU 的PIC單片機來實現(xiàn)激光脈沖測距儀的所有功能，大大降低了設計難度，縮短了開發(fā)周期，降低了功耗和成本，實現(xiàn)了高精度、遠距離的動態(tài)測量。

1 CTMU的工作原理

1.1 CTMU簡介

充電時間測量單元CTMU 是一個靈活的模擬模塊，它提供脈沖源之間的精確時間差測量及異步脈沖生成。CTMU 可與其他片上模擬模塊一起，用于精確測量時間、電容、電容的相對變化，或生成具有特定延時的輸出脈沖。該模塊主要有以下特性：

◆最多16路通道，可用于電容或時間測量輸入；

◆具有片上精確電流源；

◆具有4個邊沿輸入觸發(fā)源；

◆可實現(xiàn)高精度時間測量；

◆具有與系統(tǒng)時鐘異步的外部或內(nèi)部信號的延時。

CTMU與A／D轉(zhuǎn)換器配合工作，根據(jù)具體器件和可用的A／D轉(zhuǎn)換通道數(shù)進行時間或電荷測量。如果配置為產(chǎn)生延時，那么CTMU 連接到其中一個模擬比較器。電平輸入邊沿源可以從4個源中選擇：兩個外部輸入、Timer1和輸出比較模塊1（OCAP1）。CTMU結構框圖如圖1所示。

CTMU 的工作方式是使用固定電流源來對電路進行充電。電路的類型取決于要進行測量的類型。在進行電荷測量的情況下，電流是固定的，向電路施加電流的時間也是固定的。這樣只要通過A／D轉(zhuǎn)換測得電壓就可以測得電路的電容。在進行時間測量的情況下，電流和電路的電容都是恒定的，這種情況下，由A／D轉(zhuǎn)換讀取的電壓可以代表從電流源開始對電路進行充電到停止充電經(jīng)過的時間。如果CTMU 用于產(chǎn)生延時，那么電容和電流源，以及向比較器電路提供的電壓都是固定的，信號的延時由將電壓充電到比較器門限電壓所需的時間決定。

圖1 CTMU結構框圖

1.2 CTMU的工作原理

簡單地說，CTMU 是一個片上恒流源，周圍的數(shù)字電路用于精確控制它的操作。該電流源可在0.55～550μA的4個數(shù)值均相差十倍的范圍下工作。

1.2.1 恒流源

CTMU 的核心是高精度電流源，旨在提供用于測量的恒定基準。范圍為0.55μA、5.5μA、55μA 和550μA 電流源，在每個范圍中，可按2%的步幅進行輸出微調(diào)，最高可調(diào)至±62%。利用CTMU 電荷測量可以產(chǎn)生小于1ns的時間測量分辨率，CTMU 電流源工作原理如圖2所示。

電流源通過外部或內(nèi)部觸發(fā)源觸發(fā)，具有Timer1、輸出比較、輸入捕獲、軟件觸發(fā)和兩個外部引腳的任意組合等特性；具有4個邊沿輸入觸發(fā)源；具有每個邊沿源的極性控制、邊沿順序控制和控制對邊沿的響應。

圖2 CTMU電流源工作原理圖

1.2.2 PIC單片機的CTMU與ADC單元

CTMU 可以與ADC單元連接實現(xiàn)對電容的電壓值采樣。PIC MCU A／D轉(zhuǎn)換與CTMU 接口電路如圖3所示。

2 傳輸時間激光測距

2.1 CTMU測量時間原理

CTMU 用于測量初始發(fā)送脈沖和其反射的返回信號之間的往返時間，由此可確定測量距離，精確到1 英尺。激光脈沖傳輸時間測距是通過準確測量激光脈沖發(fā)射和接收時刻來實現(xiàn)的，光電探測器件將發(fā)射脈沖的小部分激光及探測到的激光回波信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺謩e觸發(fā)測距計數(shù)器開始和結束計時，由此獲得光脈沖傳輸時間。經(jīng)數(shù)據(jù)計算得到距離值z＝C·ΔT／2。其中，C表示真空中的光速，ΔT 表示激光往返時間。

圖4是利用CTMU 進行脈沖激光測距的具體原理圖。當發(fā)出激光脈沖時，電流源對電容CAD進行充電，當接到返回脈沖后，停止充電。

圖3 CTMU與ADC接口圖

圖4 CTMU測量時間原理圖

圖4中，電容總和C＝CAD＋CPIN＋CSTRAY。其中CPIN為引腳電容，CSTRAY為偏差電容。

時間測量的工作原理基于以下基本公式。

電容中的瞬時電流為I＝C·（dv／dt），I和C是常量，所以重新調(diào)整公式得dt＝（C／I）·dv。積分之后，T＝（C／I）·V＋K（通常K 為0）。

CTMU 模塊提供了恒定、已知的電流源。A／D 轉(zhuǎn)換器用于測量公式中的電壓V，電容C為電容總和，因此，T與V 成正比。

2.2 CTMU時間分辨率

如果使用的是PIC24F 系列單片機，其內(nèi)部ADC 為10位（1 024個計數(shù)）。

假設：I＝55μA，C＝CAD＋CPIN＋CSTRAY＝15pF，A／D轉(zhuǎn)換參考電壓VREF＝VDD。

如果VDD＝3.0V，則1個A／D 轉(zhuǎn)換計數(shù)V＝3.0V／1 024＝2.93 mV，CTMU 時間分辨率為T＝（15pF／55 μA）×2.93mV＝0.799ns。

因此，分辨率可達到＜1ns。光每米的傳播時間為6.6ns，所以該電路的分辨率為12 mm。若想提高分辨率，還可以選擇精度更高的A／D 轉(zhuǎn)換器。激光脈沖測距的動態(tài)范圍：0.799ns·1 024＝818.176ns，因此，選用15 pF的電容可測量120m 的距離。

為了獲得更高的分辨率，可以使用PIC24FJGA310單片機，其內(nèi)部ADC 為12位（4 096 個計數(shù)），若取I＝550 μA，C＝CAD＝4.4pF，VREF＝VDD，且VDD＝3.0V，則1個A／D計數(shù)V＝3.0V／4 096＝0.732 4mV，則CTMU 時間分辨率為T＝（4.4pF／550μA）×0.732 4mV＝0.006ns。因此，分辨率可達到＜10ps。

3 設計方案性能分析

3.1 提高分時間辨率的方法

提高分時間辨率的方法包括：降低A／D轉(zhuǎn)換VREF；使用內(nèi)部CTMU 通道（無外部引腳連接）；使用外部高分辨率ADC。

3.2 動態(tài)范圍注意事項

為了維持恒流，CTMU 電流源需要一個很小的電壓開銷通常為VDD-0.5V，如圖5所示。

圖5 CTMU電壓開銷示意圖

為了維持恒流，CTMU 電流源需要一個很小的電壓開銷，通常為VDD-0.5 V＝2.8 V。將動態(tài)范圍限制為ADC輸入范圍的85%，即2.8 V，或使用外部參考電壓VREF＝2.5V，這將允許100%的ADC輸入范圍。CTMU電壓開銷示意圖如圖5所示。

3.3 CTMU精度

根據(jù)設計，校準之后CTMU 電流源的精度為1%。

假設：I＝55μA，C＝CAD＋CPIN＋CSTRAY＝15pF，A／D轉(zhuǎn)換VREF＝外部2.5V，動態(tài)范圍T＝（15pF／55μA）×2.5V＝682ns，則線性工作范圍內(nèi)的精度為1%×682ns＝6.8ns

3.4 測量長時間的方法

通常的方法是增大電容和降低電流，在兩種情況下，電容C的充電時間都會變長，延長了時間測量的周期，但是，這兩種方法都會降低分辨率。因此，我們使用粗粒度時間和細粒度時間組合的計算方法，就可以實現(xiàn)既擴大CTMU 動態(tài)范圍而又不損失分辨率。

將CTMU 與輸入捕捉（ICAP）、輸出比較（OCMP）或Timer1組合使用。基于指令時鐘周期TCY 提供“粗粒度”的同步時間間隔（例如，對于PIC24FJGA310，以16 MIPS工作時，指令時鐘周期為62.5ns）。CTMU 用于測量“細粒度”的異步時間間隔。

測量總時間＝粗粒度時間＋細粒度時間，CTMU 和ICAP組合長時間測量示例圖如圖6所示。其中，TICAP＝TCY×（8 002-2）＋（T1-T2）＝500μs＋（T1-T2）。

圖6 CTMU和ICAP組合長時間測量示例圖

粗粒度測量的精度取決于晶振，晶振的精度一般為0.02%。細粒度測量500ns 范圍內(nèi)CTMU 的精度為1%，即為1%×（0.500μs／500μs）＝0.001%，因此，總精度＝粗粒度＋細粒度＝0.02%＋0.001%＝0.021%，由上可知測量時間的精度主要由晶振精度決定。

結 語

本文基于PIC單片機的CTMU 技術，提出了一種高精度測距的實現(xiàn)方法。該設計只要一片PIC單片機，無需復雜電路就可實現(xiàn)激光脈沖測距，簡化了設計，提高了數(shù)據(jù)采集的精度，測程遠，精度高，價格合理，操作簡便，在實際測量中將發(fā)揮重要作用。隨著汽車電子技術的發(fā)展，這種測量方法為汽車的自適應巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）系統(tǒng)等應用提供了新的設計思路。

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［2］Microchip Technology Inc.PIC24F系列參考手冊，2008.

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